制動電阻(鋁殼電阻)與制動單元在船舶電力系統(tǒng)中的應用

      1、引 言   
      電力推進是一種有廣闊應用前景的先進的船舶推進方式。建設小比例的船舶電力推進仿真系統(tǒng)，有利于開展電力推進關鍵技術研究；而且有利于對輪機工程專業(yè)的學生進行培訓，使其了解電力推進船舶的特點，提高其專業(yè)技能，對培養(yǎng)適應遠洋船舶機電一體化要求的輪機工程高級技術人才起到積極的作用。同時制動電阻(鋁殼電阻)和制動單元的應用對研制船舶電力推進系統(tǒng)具有借鑒及參考意義。本文主要介紹船舶電力推進仿真系統(tǒng)裝置的組成及工作原理。
 
      2、實驗裝置設計
      實驗室采用了符合實船應用的整套電力推進系統(tǒng)，包括船用發(fā)電機組、配電板、能量管理系統(tǒng)、移相變壓器、變頻器、推進電機、負載電機和監(jiān)控系統(tǒng)。整套系統(tǒng)聯(lián)動，可以模擬實船應用中的各種工況，并通過監(jiān)控系統(tǒng)觀察推進系統(tǒng)各設備的運行狀態(tài)。

      系統(tǒng)的最大特點在于混合仿真，所謂混合仿真就是指系統(tǒng)模擬了船舶的兩舷推進系統(tǒng)，系統(tǒng)的右舷采用實物仿真，選用SIEMENS公司的6SE70變頻器（250KW）、6SE70制動電阻(鋁殼電阻)和制動單元、4GJ三繞組變頻變壓器（300KVA）、推進電機1LA8 317-8P電動機（180KW）、負載電機1LA8 317-8P電動機（180KW）等設備，組成實軸電力推進系統(tǒng)；而左舷采用計算機仿真的辦法，模擬變頻器、推進電機和螺旋槳，組成虛軸電力推進系統(tǒng)，如圖1所示。

      該套系統(tǒng)主要分成四個組成部分：電站系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和虛軸仿真系統(tǒng)。電站系統(tǒng)包括配電屏、發(fā)電機組和能量管理系統(tǒng)（PMS）。電站系統(tǒng)布置了三套發(fā)電機組，每套容量75KW。配電屏的布置完全按照船用自動化電站的要求，它將整套發(fā)電機組發(fā)出的電能配送到各個用電負載。能量管理系統(tǒng)監(jiān)控整個電力系統(tǒng)的用電，統(tǒng)一管理推進系統(tǒng)用電及其他設備用電，并賦予設備不同的優(yōu)先級；根據(jù)備車、港航、巡航、機動航行等不同的工況，自動選擇最少運行發(fā)電機臺數(shù)；同時，根據(jù)負載變化，進行發(fā)電機工作臺數(shù)的增減，自動完成并車、解列、調(diào)頻及調(diào)載。

      推進系統(tǒng)包括移相變壓器、變頻器、推進電機、負載電機及電力推進監(jiān)控系統(tǒng)，如圖2所示。為了盡可能滿足實驗要求，選用的SIEMENS變頻器采用了特殊的設計，可以進行6脈波整流和12脈波整流工況的切換。考慮實船應用中低壓推進系統(tǒng)的常用等級，兼顧實驗室具體條件，變頻器、推進電機、負載電機采用690V的電壓等級。移相變壓器將電壓從380V升到690V，可以同時為12脈波整流供電。將推進電機和負載電機通過聯(lián)軸節(jié)對軸相連，負載由負載電機模擬，按照螺旋槳特性曲線對其進行控制，這樣就可以達到模擬實船螺旋槳負載的效果。通過機旁、集控臺、駕控臺上的操作單元可以控制推進電機的啟動、停車等操作。

      監(jiān)控系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)作下位機，工業(yè)控制計算機(PC)作上位機，它們與變頻器、變壓器、推進電機、負載電機和操作控制器等通過PROFIBUS 總線相連，共同組成電力推進監(jiān)控系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括自動監(jiān)測與自動控制兩大部分，PLC 負責完成數(shù)據(jù)采集與部分自動控制，通過試驗盤臺控制變頻器進而控制電動機與負載電機。PC 機與PLC 相互通訊監(jiān)控實驗裝置的運行并進行數(shù)據(jù)處理，完成大部分自動控制。PC 機的人機對話功能，保證了試驗臺安全、經(jīng)濟與穩(wěn)定的運行。通過集控臺和駕控臺的監(jiān)控計算機，來監(jiān)控整個電力推進系統(tǒng)的運行狀態(tài)，同時還具有報警、打印、數(shù)據(jù)儲存及管理的功能。

      虛軸仿真系統(tǒng)模擬船舶的左舷電力推進系統(tǒng)，以右舷電力推進系統(tǒng)設備的運行參數(shù)為參照，建立了變頻器、推進電機和螺旋槳的數(shù)學模型。虛軸電力推進系統(tǒng)，具有與右舷實軸電力推進系統(tǒng)相同的外在特性。右舷實物仿真推進系統(tǒng)和左舷計算機仿真推進系統(tǒng)均接受來自機旁、集控臺、駕控臺的操作輸入，實軸和虛軸推進系統(tǒng)共享一個數(shù)據(jù)庫，運行結果也均由實驗臺的儀表和指示燈顯示。兩舷推進裝置共用統(tǒng)一的電力推進監(jiān)控系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)。

      3、實軸電力推進系統(tǒng)的工作原理

      從圖3 可以看出，采用西門子最新一代的全數(shù)字交流變頻器系列SIMOVERT MASTERDRIVES 和與之配套的輔助設備構成完整的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。實軸一舷推進系統(tǒng)由主配電屏供電，三相移相變壓器將三相380V/50Hz 的交流電變換成兩個相位相差30 電角度的兩組690V/50Hz 的交流電供變頻器使用。通過一個開關將本系統(tǒng)自動分成6 脈波和12 脈波系統(tǒng)，以便模擬不同整流系統(tǒng)工作下整個系統(tǒng)的諧波因素。12 脈波整流工作模式下，電網(wǎng)擾動作用明顯減小，其5 次和7次諧波電流，相對于6 脈波工作模式來講幾乎沒有。

      變頻器中含有兩個整流單元，兩個逆變單元，通過公共直流母線相連；兩個逆變單元分別控制一臺180KW，750rpm的推進電機和負載電機，一個逆變單元以轉速控制模式控制推進電機，另一個逆變裝置以轉矩控制模式控制負載電機，負載轉矩按螺旋槳特性曲線來設定。正常運行情況下，負載電機工作在發(fā)電機模式，負載電機發(fā)出的電能反饋回直流母線，被推進電機重新利用，因此節(jié)約了能量。制動過程中產(chǎn)生的能量回饋到直流母線上，導致母線電壓升高，制動電阻(鋁殼電阻)和制動單元投入運行，消耗能量，使母線電壓回落到正常值，以保護變頻器。